CAJA DE TOQUES
Indice: Introducción--------------------Introducción-------------------------------------------------------------------------------Objetivos-----------------------Objetivos--------------------------------------------------------------------------------------Hipótesis-----------------------Hipótesis--------------------------------------------------------------------------------------Antecedentes Históricos----Históricos--------------------------------------------------------------¿Cómo funciona la caja de toques?-------------------Conceptos para entender la caja de toques--------Desarrollo experimental----experimental----------------------------------------------------------------Conclusiones--------------------Conclusiones-----------------------------------------------------------------------------Bibliografía--------------------Bibliografía------------------------------------------------------------------------------------
INTRODUCCION: En este proyecto hablaremos sobre la máquina de toques para lo cual hemos investigado de que se compone, para que sirven las cosas de las que está constituida y como funciona. La máquina de toques es un inversor de voltaje lo cual también explicaremos más adelante para saber cómo se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas. También hablaremos sobre la historia de la máquina de toques como es que se empieza con la idea de la electricidad al descubrir el electrón, como es descubierta la conducción o flujo real de la electricidad, hablaremos sobre cómo fue descubierta la ley fundamental del fenómeno eléctrico. Los efectos eléctricos empezaron a ser conocidos ya en la Antigüedad desde que los griegos comenzaron a comprobar la propiedad del ámbar, al frotarlo y observar que atraía cuerpos ligeros, de donde procedió el nombre de esta singular forma de energía "elektrón" de ahí se deriva el nombre “Electricidad”. El principio de funcionamiento de una máquina de toques es el transformador el cual es el que se encarga de aumentar la corriente eléctrica para que sea perceptible al ser humano. En esta pequeña introducción le mencione un poco de lo que hablaremos en todo nuestro proyecto
OBJETIVOS: *Observar el comportamiento de un inversor de voltaje. *Elaborar una máquina de toques que tiene un comportamiento muy similar a la del inversor de voltaje
HIPOTESIS: *Podemos utilizar el cuerpo humano como simulador de un conductor para que pueda pasar la corriente. *La máquina funcionara mediante pilas y un transformador que aumentara a intensidad de corriente de la pila
ANTECEDENTES HISTORICOS: Los efectos eléctricos empezaron a ser conocidos ya en la Antigüedad. Los griegos fueron los primeros en comprobar la propiedad del ámbar, al frotarlo y observar que atraía cuerpos ligeros, de donde procedió el nombre de esta singular forma de energía "elektron". Posteriormente, los romanos ensayaron los primeros métodos de electroterapia de la historia, sumergiendo a los paralíticos en lagunas con abundancia de peces eléctricos, a fin de que los inválidos recibieran sus descargas, las que consideraban benéficas. El estudio científico de la electricidad se inició recién en el siglo XVII, cuando varios investigadores dieron importantes pasos, que conducirían más tarde al dominio de aquella desconocida fuerza. El siglo XVIII fue un período extraordinario para el progreso de las investigaciones en el terreno de la electricidad. Dos décadas más tarde, en 1729, Stephen Gray descubrió en Inglaterra la conducción, es decir, el flujo real de la electricidad y, empezó a transmitir cargas de un sector a otro de su casa, sirviéndose de "cables" fabricados, entre otras cosas, con trozos de caña. Primero, descubrieron que el cuerpo humano era un excelente conductor de la electricidad: en la obscuridad de la noche, Dufay, suspendido por cuerdas de seda aislantes, se hacía cargar con un aparato eléctrico del tipo Hawkesbee; cuando Nollet lo tocaba, salían de él grandes chispas, provocando el regocijo de la corte, la cual, naturalmente, veía en la experiencia sólo un motivo más de diversión. Sin embargo, otro experimento, menos espectacular, llevado a cabo por uno de ellos, estaba destinado a tener mayores consecuencias. Dufay descubrió que todos los objetos cargados por medio del mismo tubo de vidrio se rechazaban unos a otros y que, por el contrario, atraían a los cuerpos cargados mediante una barrita de resina electrificada. En consecuencia, dedujo que debían existir "dos tipos de electricidad", a las que, de acuerdo a sus generadores, llamó la "vítrea" y la "resinosa". Así fue como, pese a la falacia de la afirmación de que había dos electricidades, fue descubierta la ley fundamental del fenómeno eléctrico: "Las cargas similares se rechazan
y las disímiles se atraen". En las ferias y sustituir lugares donde se concentraba gran cantidad de público los charlatanes concitaban la atención de ellos mediante una pila de bajo poder voltaico. El curioso, atraído por la oratoria del propagandista, se ubicaba cerca del mesón, pagaba una cierta cantidad de dinero y, cogiendo un alambre conductor de electricidad, sentía la emoción de un golpe de corriente. MARCO TÉORICO FUNCIONAMIENTO Una caja de toques es un inversor de voltaje, decir, que a partir de fuente de energía (pilas), un oscilador electrónico (que convierta la corriente directa de la pila en corriente alterna como en los enchufes de luz) y un transformador de voltaje instalado a la inversa que eleva el voltaje de la pila con un mínimo de corriente. Entonces la caja de toques eleva mucho el voltaje (alrededor de 70100volts) pero con una corriente muy baja para que no haya riesgo (alrededor de 100miliamperes). Para que sientas los toques con esos parámetros se requiere cerrar el circuito, o sea que la resistencia del cuerpo debe tocar los dos polos de la caja. Las resistencias eléctricas modifican el voltaje, no la corriente pues esta última es la responsable de que se calienten. El cuerpo humano por estar compuesto de agua y electrolitos en su mayor porcentaje, funciona como un conductor débil o mejor aún, una resistencia eléctrica. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.
¿Cómo funciona la caja de toques? Una caja de toques es un inversor de voltaje. Quiere decir que a partir de una pila (fuente de energía de 6 volts), un oscilador electrónico (que convierta la corriente directa de la pila en corriente alterna como en los enchufes de luz) y un transformador de voltaje instalado a la inversa que eleva el voltaje de la pila con un mínimo de corriente. El cuerpo humano por estar compuesto de agua y electrolitos en su mayor porcentaje, funciona como un conductor débil o mejor aún, una resistencia eléctrica. Cuando haces circular energía eléctrica a través de una resistencia se consideran dos factores: voltaje e
intensidad. El voltaje es la fuerza y la intensidad o corriente es la cantidad de energía. La sensación de toques está dada por el voltaje y el daño al cuerpo por el amperaje o corriente. Entonces la caja de toques eleva mucho el voltaje (alrededor de 70-100volts) pero con una corriente muy baja para que no haya riesgo (alrededor de 100miliamperes). Para que sientas los toques con esos parámetros se requiere cerrar el circuito, o sea que la resistencia del cuerpo debe tocar los dos polos de la caja. Las resistencias eléctricas modifican el voltaje, no la corriente pues esta última es la responsable de que se calienten. Claro que con voltajes por arriba de 200 volts también se puede dañar al tejido humano si se cierra el circuito y la corriente es suficiente como en casa con los zapatos mojados (los fusibles se queman a 30 amperes = 30000 miliamperes), pero con zapatos secos puedes tocar sin riesgo un polo de cable de alta tensión.
Conceptos para entender el funcionamiento de la caja de toques. Carga Eléctrica
La unidad de carga eléctrica es el Culombio (abreviado C). La materia ordinaria está hecha de átomos que tienen un núcleo cargado positivamente y electrones cargados negativamente rodeando al núcleo. La carga está cuantizada en múltiplo de la carga del electrón o protón: Las influencias de las cargas están caracterizadas en función de las fuerzas entre ellas (ley de coulomb), y el campo eléctrico y el voltaje producidos por ellas. Un Culombio de carga es la carga que fluiría a través de una lámpara de 120 vatios (120 voltios de AC) en un segundo. ¡Dos cargas de un Culombio cada una, separada por una distancia de un metro, se repelerán entre ellas con una fuerza de alrededor de 1 millón de toneladas! La tasa de flujo de la corriente eléctrica se llama intensidad de corriente y se mide en Amperios. En la introducción de una de las propiedades fundamentales de la materia, es oportuno señalar que, aunque utilizamos esquemas y montajes simplificados para introducir los conceptos, hay inevitablemente mucho mas que decir. No hay ningún significado añadido
a los círculos que representan el protón y el electrón, en el sentido de atribuirle tamaños relativos e incluso objetos materiales sólidos de forma esférica, solo son una representación útil de conceptos. La idea mas importante es que estos tiene desde el punto de vista eléctrico una propiedad llamada "carga", que es del mismo tamaño o valor pero de polaridad opuesta entre el electrón y el protón. El protón tiene una masa 1.836 veces mayor que la masa del electrón, pero una carga exactamente de igual tamaño al electrón, solo que es positiva en vez de negativa. Incluso los términos "positivo" y "negativo", son arbitrarios aunque bien arraigados términos históricos. El comportamiento esencial es que el protón y el electrón se atraen fuertemente; el histórico arquetipo de "los polos opuestos se atraen". Dos protones o dos electrones se repelerán fuertemente entre sí. Una vez que Ud. haya establecido esas ideas básicas de la electricidad de "cargas iguales se repelen, cargas opuestas se atraen", ya tiene el fundamento para la electricidad y puede ampliarse a partir de ahí. A partir de la precisa neutralidad de la materia ordinaria, así como de detallados experimentos microscópicos, sabemos que el protón y el electrón tiene la misma magnitud de carga. Todas las cargas observadas en la Naturaleza, son múltiplos de estas cargas fundamentales. Aunque el modelo estándar del protón, se representa construido por partículas de carga fraccionaria llamadas quarks, esas cargas fraccionarias no han sido observadas aisladamente, sino siempre en combinaciones que producen +/- la carga del electrón. Una simple carga eléctrica aislada se llama "monopolo eléctrico". Dos cargas iguales, una positiva y otra negativa, colocadas cerca una de la otra, constituye un dipolo eléctrico. Dos dipolos orientados opuestamente y cerca uno del otro, constituye un cuadrupolo eléctrico. Puede continuar este proceso, para cualquier número de polos, pero aquí se mencionan solo los dos primeros, porque estos encuentran significativas aplicaciones en fenómenos físicos. Una de las simetrias fundamentales de la Naturaleza es la conservación de la carga eléctrica. Ningún proceso físico produce una cambio neto de carga eléctrica. Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica es la tasa de flujo de carga que pasa por un determinado punto de un circuito eléctrico, medido en Culombios/segundo, denominado Amperio. En la mayoría de los circuitos eléctrico de DC, se puede asumir que la resistencia al flujo de la corriente es una constante, de manera que la corriente en el circuito
está relacionada con el voltaje y la resistencia, por medio de la ley de Ohm. Las abreviaciones estándares para esas unidades son 1 A = 1 C/s. Corriente directa o continua
La corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo positivo de una fuente de fuerza electromotriz (FEM), tal como ocurre en las baterías, las dinamos o en cualquier otra fuente generadora de ese tipo de corriente eléctrica. Fuentes suministradoras de corriente directa o continua. A la izquierda, una batería de las comúnmente utilizada en los coches y todo tipo de vehículo motorizado. A la derecha, pilas de amplio uso, lo mismo en linternas que en aparatos y dispositivos eléctricos y electrónicos. Es importante conocer que ni las baterías, ni los generadores, ni ningún otro dispositivo similar crea cargas eléctricas pues, de hecho, todos los elementos conocidos en la naturaleza las contienen, pero para establecer el flujo en forma de corriente eléctrica es necesario ponerlas en movimiento. El movimiento de las cargas eléctricas se asemeja al de las moléculas de un líquido, cuando al ser impulsadas por una bomba circulan a través de la tubería de un circuito hidráulico cerrado. Las cargas eléctricas se pueden comparar con el líquido contenido en la tubería de una instalación hidráulica. Si la función de una bomba hidráulica es poner en movimiento el líquido contenido en una tubería, la función de la tensión o voltaje que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM) es, precisamente, bombear o poner en movimiento las cargas contenidas en el cable conductor del circuito eléctrico. Los elementos o materiales que mejor permiten el flujo de cargas eléctricas son los metales y reciben el nombre de “conductores”.
Corriente Alterna. Además de la existencia de fuentes de FEM de corriente directa o continua (C.D.) (como la que suministran las pilas o las baterías, cuya tensión o voltaje mantiene siempre su polaridad fija), se genera también otro tipo de corriente denominada alterna (C.A.), que se diferencia de la directa por el cambio constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo.
Una pila o batería constituye una fuente de suministro de corriente directa, porque su polaridad se mantiene siempre fija.
La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos por segundo o hertz posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente directa.
Resistencia Eléctrica
Resistencia eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos de oponerse en cierto grado al paso de la corriente eléctrica. En función del valor de esta propiedad, los materiales se clasifican en conductores, semiconductores o aislantes: Conductores: Son los elementos que presentan una oposición muy pequeña al paso de los electrones a través de ellos; es decir, presentan una resistencia eléctrica muy baja. Como ejemplo de buenos conductores eléctricos podemos nombrar a los metales. Semiconductores: Son un grupo de elementos, o compuestos, que tienen la particularidad de que bajo ciertas condiciones, se comportan como conductores. Cuando estas condiciones no se dan, se comportan como aislantes. Como ejemplo podemos nombrar al germanio, al silicio, al arseniuro de galio. Aislantes:Son los materiales o elementos que no permiten el paso de los electrones a través de ellos. Como ejemplo podemos nombrar a los plásticos.
Resistencia
La resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo (l), de su sección (s) y del material con el que está fabricado, mediante la siguiente expresión:
Ley de Ohm
Para muchos conductores de la electricidad, la corriente eléctrica que fluye a través de ellos, es directamente proporcional al voltaje que se le aplica. Cuando se toma una vista microscópica de la ley de Ohm, se encuentra que la velocidad de desplazamiento de las cargas a través del material, es propocional al campo eléctrico en el conductor. A la
proporción entre el voltaje y la corriente, se le llama resistencia, y si esta proporción es constante sobre un amplio rango de voltajes, al material se le dice que es un material "óhmico". Si el material se puede caracterizar por tal resistencia, entonces la corriente se puede predecir de la relación: Se puede introducir datos en cualquiera de las casillas de abajo. Especificando cualquiera de dos cantidades, se determina la tercera. Despues de entrar valores en dos de ellas, haga clic en el texto que representa la tercera en la ilustración activa de arriba, para calcular su valor. POTENCIA ELECTRICA
Se define potencia eléctrica como la variación de la energía potencial por unidad de tiempo, es decir: P = I v es la formula de la potencia V= I R es la formula del voltaje. Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer primeramente el concepto de “energía”, que no es más que la capacidad
que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo. Cuando conectamos un equipo o consumidor eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M), como puede ser una batería, la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una bombilla de alumbrado, transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria. De acuerdo con la definición de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, se transforma”. En el caso de la energía eléctrica esa
transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado. La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en “ joule ” y se representa con la letra “ J ”.
Las unidades de la potencia: [Potencia (P)] = [ampere(A)] [voltio (V)] = WATT (W) Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo ( J/seg ) y se representa con la letra “ P ”.
Un J/seg equivale a 1 watt ( W ), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de
energía eléctrica. La unidad de medida de la potencia eléctrica “ P ” es el “ watt ”, y se representa con la letra “ W ”.
TRANSISTORES
Un transistor es un componente que tiene, básicamente, dos funciones: - Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una PEQUEÑA señal de mando. - Funciona como un elemento AMPLIFICADOR de señales. ¿Cómo es físicamente un transistor? Hay dos tipos básicos de transistor: a) Transistor bipolar o BJT (Bipolar Junction Transistor) b) Transistor de efecto de campo, FET (Field Effect Transistor) o unipolar Leds
Los LED son dispositivos semiconductores de estado sólido lo cual los hace robustos, fiables, de larga duración y a prueba de vibraciones, que pueden convertir la energía eléctrica directamente en luz. El interior de un LED es un pequeño semiconductor encapsulado en un recinto de resina de epoxi. En contra de otros sistemas, los LED no tienen filamentos u otras partes mecánicas sujetas a rotura ni a fallos por "fundido", no existe un punto en que cesen de funcionar, sino que su degradación es gradual a lo largo de su vida. Se considera que a aproximadamente a las 50.000 horas, es cuando su flujo decae por debajo del 70% de la inicial, eso significa aproximadamente 6 años en una aplicación de 24 horas diarias 365 días/año. Esto permite una reducción enorme de costes de mantenimiento ya que no se necesita reemplazarlas, por lo que el Coste de Iluminación es mucho menor. Asimismo, por su naturaleza el encendido se produce instantáneamente al 100% de su intensidad sin parpadeos ni periodos de arranque, e independientemente de la temperatura. A diferencia de otros sistemas no se degrada por el número de encendidos. El control de los LED es otro de los factores importantes. Dada su naturaleza son fácilmente controlables, pudiendo producir efectos y permitiendo controles de energía que con otros dispositivos es más difíciles y caros de obtener. Por otra parte los dispositivos LED son ecológicos ya que no contienen mercurio, tienen una duración mayor, ahorran gran cantidad de energía, un punto significativo a tener en cuenta en las instalaciones y especialmente en las de tipo público, y no producen casi contaminación
lumínica, otro aspecto importante en aplicaciones públicas y especialmente de tráfico. Transformador Un transformador hace uso de la ley de Faraday y las propiedades ferromagnéticas de un núcleo de hierro para subir o bajar eficientemente los voltajes de corriente alterna (AC). Por supuesto que no puede incrementar la potencia, de modo que si se eleva el voltaje, la corriente es disminuida proporcionalmente y viceversa.
Ley de Voltaje
La suma de las diferencias de voltajes en cualquier bucle cerrado debe ser cero. No importa que camino se sigue a través del circuito eléctrico, si Ud. vuelve al punto de partida, debe medir el mismo voltaje, restringiéndose el cambio de voltaje alrededor del bucle a cero. Puesto que el voltaje es la energía de potencial eléctrico por unidad de carga, la ley de voltaje se puede considerar como una consecuencia de la conservación de la energía. La ley de voltaje tiene una gran utilidad práctica en el análisis de los circuitos eléctricos. Se usa junto con la ley de corrientes en muchas tareas de análisis de circuitos. La ley de voltaje es una de las principales herramientas, para el análisis de los circuitos eléctricos, junto con la ley de Ohm, la ley de corriente y la relación de potencia. Aplicando la ley de voltaje al circuito de arriba junto con la ley de Ohm y las reglas para combinar resistencias nos da los números mostrados abajo. La determinación de los voltajes y las corrientes asociadas con un circuito en particular junto con la potencia, le permite describir completamente el estado eléctrico de un circuito de corriente continua. Ley de Faraday
Cualquier cambio del entorno magnético en que se encuentra una bobina de cable, originará un "voltaje" (una fem inducida en la bobina). No importa como se produzca el cambio, el voltaje será generado en la bobina. El cambio se puede producir por un cambio en la intensidad del campo magnético, el movimiento de un imán entrando y saliendo del interior de la bobina, moviendo la bobina hacia dentro o hacia fuera de un campo magnético, girando la bobina dentro de un campo magnético, etc. La ley de Faraday es una relación fundamental basada en las ecuaciones de Maxwell. Sirve como un sumario abreviado de las formas en que se puede generar un voltaje (o fem), por medio del cambio del entorno
magnético. La fem inducida en una bobina es igual al negativo de la tasa de cambio del flujo magnético multiplicado por el número de vueltas (espiras) de la bobina. Implica la interacción de la carga con el campo magnético. Ley de Lenz
Cuando se genera una fem por cambio en el flujo magnético, de acuerdo con la ley de Faraday, la polaridad de la fem inducida es tal que produce una corriente cuyo campo magnético, se opone al cambio que lo produjo. El campo magnético inducido en el interior de cualquier bucle de cable, siempre actua para mantener constante el flujo magnético del bucle. En el ejemplo de abajo, si el campo B aumenta, el campo inducido actua en oposición. Si está disminuyendo, el campo magnético actua en la dirección del campo aplicado, para tratar de mantenerlo constante.
Flujo Magnético
El flujo magnético es el producto del campo magnético medio, multiplicado por el área perpendicular que atraviesa. Es una cantidad de conveniencia que se toma en el establecimiento de la ley de Faraday y en el estudio de objetos como los transformadores y los solenóides. En el caso de un generador eléctrico donde el campo magnético atraviesa una bobina giratoria, el área que se usa en la definición del flujo es la proyección del área de la bobina sobre un plano perpendicular al campo magnético. La contribución al flujo magnético para una determinada área es igual al área por la componente del campo magnético perpendicular al área. Para una superficie cerrada la suma del flujo magnético es siempre igual a cero (ley de Gauss para el magnetismo). No importa cuan pequeño sea el volúmen, las fuentes de campos magnéticos son siempre fuentes dipolares (como imanes de barra miniatura), de modo que hay tantas líneas de campo magnéticos entrando (al polor sur) como saliendo (del polo norte).
Conclusiones: En este proyecto pudimos descubrir un gran uso para la electricidad ya lo construimos de una forma no tan complica y si resolvimos muchas de las dudas que teníamos ya que al comenzar el proyecto no conocíamos nada de lo que debía de usarse para la elaboración de la caja de toque ni supimos que leyes llevaba y ahora conocemos un poco más sobre este tema como fue la electricidad y las cosas que una pequeña caja como esta lleva y que necesitamos comprender para poder entender a la perfección esta caja de toques.
Bibliografía: *http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/elecur.html *http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/farlaw.html *http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_corriente_alterna/ke_corr iente_alter*na_2.htm *http://fresno.pntic.mec.es/~fagl0000/resistencia_electrica.htm *http://pis.unicauca.edu.co/moodle/file.php/61/capitulo%205/html/poten cia%20electrica.htm *http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2008/04/transi stores.pdf Libros: -Olmo Escribano Julio, Electricidad y Electronica -Microscopia: Materiales, Instrumental y Métodos – Werner Nachtigall -Chapman, Máquinas Eléctricas - 3 Edición
